(57)【要約】【課題】レンズ機構やテーパ構造などの複雑な光学部材などを用いずに簡易な構造に構成され、半導体レーザー構造から出射されたレーザー光の光導波構造側への結合を高効率に行なう。【解決手段】光伝播層１２の厚みと光導波層２３の厚みとの関係が、レーザー部位ａのレーザー出射端面における基本モードのビームスポット径と光回路部位ｂを伝播する基本モードのビームスポット径とが略一致する関係になっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも活性層及び光伝播層を有する半導体レーザー構造と、前記半導体レーザー構造から直接入射されたレーザー光を伝搬する光導波層を有する光導波構造とを備え、
前記光伝播層の厚みと前記光導波層の厚みとの関係が、前記半導体レーザー構造のレーザー出射端面における基本モードのビームスポット径と、前記光導波構造を伝搬する基本モードのビームスポット径とが略一致する関係にある半導体レーザー装置。
【請求項２】
前記光伝播層の厚みが、３μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザー装置。
【請求項３】
前記半導体レーザー構造のレーザー光を出射する出射端面は、前記光導波構造に当接されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザー装置。
【請求項４】
前記半導体レーザー構造のレーザー光を出射する出射端面に、光導波構造の屈折率に合わせて反射を調整する反射層を有することを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザー装置に関し、詳しくは、半導体レーザー構造と光導波構造とを備えた半導体レーザー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体レーザーは、種々の形態のメディアを構成する光源として広く使用されている。そして、種々の用途に適用し得るように、半導体レーザーは高出力化と小型化が図られている。
【０００３】
しかしながら、半導体レーザーから出力されたレーザー光を単一モード光ファイバや光導波路などに結合する場合に、出力されたレーザー光のモードと光ファイバや光導波路の持つモードとの間でモード差が生じやすく、このモード差に起因して大きい結合損失が生じることがある。
【０００４】
このような結合損失を解消するための手段の一つとして、ビーム形状を大きくすると共に、光ファイバや光導波路との結合を容易にするスポットサイズ変換器や、シリンドリカルレンズやスラブレンズ等を有するレンズ機構などを用いる技術が提案されている（例えば、特許文献１〜２参照）。
【０００５】
スポットサイズ変換器は、半導体レーザー等の半導体素子基板上に集積することが可能であるほか、高出力化することができ、装置の小型化の点でも有利で用いられており、これまで種々の検討が行なわれている。例えば、半導体レーザーとテーパ状の光導波路とが組み合わせられた構造などが開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００６】
これらに関連して、半導体レーザーからの出射光を光導波路に結合するための技術の一つとして、石英系光導波路のコアの端部が光軸方向にテーパ形状を有する光結合器に関する開示がある（例えば、特許文献４参照）。
【特許文献１】特開２０００−１９３６２号公報
【特許文献２】特開２００５−２２１５１４号公報
【特許文献３】特開２００５−２１０１２０号公報
【特許文献４】特開平８−２４８２７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記したように、半導体レーザーから出射された光を光導波路に結合する方法については、従来より種々検討がなされているが、半導体レーザーと光導波路との間にレンズ機構やテーパ形状の部材、部品を配置した構成とするものが一般的であり、レンズやテーパ状の部材等に起因する結合損失がある。
【０００８】
すなわち、レンズやデーパ状の部材等を所定位置に配置する場合に、僅かな位置ズレが生じやすいため、所期の結合効率が確保できず、位置ズレによる結合損失の程度にしたがってレーザー出力は低下する。しかも、これらのレンズや部材等は非常に小さく、半導体レーザーや光導波路に対する配置位置を正確に確保することは難しい。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みなれたものであり、レンズやテーパ構造などの複雑な光学部材などを用いずに、簡易構造に構成しつつレーザー出力を効率よく向上させた半導体レーザー装置を提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するために、本発明の半導体レーザー装置は、少なくとも活性層及び光伝播層を有する半導体レーザー構造（以下、レーザー部位ともいう。）と、半導体レーザー構造から直接入射されたレーザー光を伝搬する光導波層を有する光導波構造（以下、光回路部位ともいう。）とを備えており、半導体レーザー構造の光伝播層の厚みと光導波構造の光導波層の厚みとの関係が、半導体レーザー構造のレーザー出射端面における基本モードのビームスポット径と、光導波構造を伝搬する基本モードの（好ましくはレーザー入射端面における）ビームスポット径とが一致もしくは略一致する関係となる構成としたものである。
【００１１】
本発明においては、レーザー部位の光伝播層の厚み及び光回路部位の光導波層の厚みの少なくとも一方において、各々の屈折率の違いを考慮して各層の厚みを選択することで、一般にレーザー部位の屈折率と光回路部位の屈折率とは大きく異なるために単に光伝播層と光導波層の各厚みを同厚にあわせるたけでは一致させ得ない基本モードのスポットサイズを一致もしくは略一致させることができるので、レーザー部位から出射された光を光導波路に結合するための、例えばレンズ機構やテーパ状の部材、部品等の光学部材が不要であり、レンズ機構等その他の光学部材を設けることなく、簡便に高い結合効率が得られ、レーザー部位からの出射光が光回路部位へ入射するときの結合損失を抑えてレーザー出力を効率よく向上させることができる。
【００１２】
本発明において、「ビームスポット径が略一致する関係」とは、レーザー部位のレーザーを出射する出射端面におけるビームスポット径Ｒαと、光回路部位を伝搬するレーザーのビームスポット径（少なくともレーザーが入射する入射端面におけるビームスポット径）Ｒβとが、Ｒα／Ｒβ＝１±０．０５を満たすことをいう。なお、「ビームスポット径が一致」する場合とは、両径が全く同径であることをいう。
【００１３】
本発明の半導体レーザー装置のレーザー部位を構成する光伝播層の厚みは、３μｍ以下であることが好ましい。光伝播層の厚みが３μｍ以下であると、レーザー部位をレーザー光がマルチモード発振しない範囲に構成することができる。これにより、シングルモードが選択的に得られ、結合効率の向上及び、モード乱れを抑えた高品質ビームの出力向上に有効である。
【００１４】
本発明の半導体レーザー装置では、半導体レーザー構造（レーザー部位）のレーザー光を出射する出射端面を光導波構造（光回路部位）に当接した構造に構成されるのが好ましい。すなわち、レーザー部位と光回路部位とを、これらの中間位置にレンズ機構やテーパ状の部材、部品等を設けずに、直接接合等して構成したものである。
【００１５】
レーザー部位と光回路部位との配置間隔（ギャップ；例えば空気層）は小さいほど、結合損失を抑える点で好ましいため、レーザー部位の出射端面と光回路部位の入射端面とを互いに当接した構成にすることで、より結合効率が高められ、レーザー出力を効率よく向上させることができる。
【００１６】
さらに、上記のようにレンズ機構やテーパ状の部材等を介在しない構成にする場合、一般に半導体レーザー構造（レーザー部位）の出射端面はその最外面を空気（屈折率＝１）として所望の反射率が得られるように構成されるが、ギャップを設けずに突き合わせるようにするとレーザー部位の発振特性が変化してしまうことから、半導体レーザー構造のレーザー光を出射する出射端面に、光導波構造（光回路部位）の少なくとも光導波層の屈折率に合わせて所望の反射率が得られるように反射層を設けることで、突き合わせたときの発振特性の変化を防止でき、レーザー部位と光回路部位との間にギャップ（空気層）を設ける必要がなくなるので、小型で簡易な構造に構成しながら、簡便に高い結合効率が得られ、光回路部位への入射時の結合損失を抑えてレーザー出力を効率よく向上させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、レンズやテーパ構造などの複雑な光学部材などを用いずに、簡易構造に構成しつつレーザー出力を効率よく向上させた半導体レーザー装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の半導体レーザー装置の実施形態について詳細に説明する。
【００１９】
（第１実施形態）
本発明の半導体レーザー装置の第１実施形態を図１〜図２を参照して説明する。本実施形態の半導体レーザー装置は、半導体レーザー構造と光導波構造との間にギャップ（間隙）を設けるのみとし、半導体レーザー構造から出射されたレーザー光が直接光導波構造に入射される構成となっている。
【００２０】
本実施形態では、図１に示すように、半導体レーザー構造（レーザー部位）ａと、光導波構造（光回路部位）ｂとが１μｍのギャップを保って配置されており、レーザー部位ａから出射されたレーザー光は、光を光回路部位に結合するためのレンズ機構等を通過させずに直接、光回路部位ｂに入射できるようになっている。
【００２１】
レーザー部位ａは、ｎ型のＧａＡｓ基板（Ｓドープ、キャリア濃度１０１８cm-３；半導体基板）１１上に、厚み０．０７μｍのＧａＡｓ活性層１３を挟み込むようにして厚み１．４１μｍのＩｎＧａＡｓＰ光伝播層（屈折率３．６７）１２（図１中の２つの光伝播層１２の合計厚）とが設けられた積層構造に形成されており、光伝播層１２上には更に、図示しないコンタクト層等１４及び電極等が形成されてレーザー発振可能なようになっている。
【００２２】
レーザー部位ａの作製は、ｎ型のＧａＡｓ基板（Ｓドープ、キャリア濃度１０１８cm-３；半導体基板）を用意し、この半導体基板を５００〜７００℃に加熱して、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）を用いた常法により、図１に示すように、ＧａＡｓ基板１１上に、厚み１．３７μｍのＩｎＧａＡｓＰ光伝播層１２ａを成長させた後、連続して、同様に５００〜７００℃に加熱しつつＭＯＣＶＤ法を用いた常法により、ＩｎＧａＡｓＰ光伝播層１２ａ上に活性層１３を成長させ、さらに連続して厚み１．３７μｍのＩｎＧａＡｓＰ光伝播層１２ｂを成長させることによって行なえる。光伝播層１２は、光伝播層１２ａ及び光伝播層１２ｂとからなるものであり、活性層１３は光伝播層１２中に埋設されている。
なお、図示しない電極の形成は、真空蒸着装置を用いた金属（Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕ等）の蒸着等により行なえる。
【００２３】
ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）は、半導体レーザー等の生産に一般に用いられる化合物体の薄膜成長法である。原料ガスには、主に液体の有機金属〔例えば、ターシャルブチルホスフィン（ＴＢＰ）、ターシャルブチルアルシン（ＴＢＡｓ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）〕を用い、キャリアガス〔例えば水素（Ｈ２）〕でバブリングして気体として反応室に供給する。原料ガスは、５００〜７００℃に加熱された基板上で分解し、基板上に薄膜が成長される。
【００２４】
光回路部位ｂは、Ｓｉ基板２１上に、厚み１０μｍの石英系クラッド層（Ｆドープ、屈折率１．４５）２２、厚み１．９５μｍの石英系光導波層（屈折率１．４６）２３、及び厚み１０μｍの石英系クラッド層（Ｆドープ、屈折率１．４５）２４が設けられた積層構造に形成されている。
【００２５】
光回路部位ｂの作製は、Ｓｉ基板を用意し、この基板を１０００〜１５００℃に加熱して、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）を用いた常法により、図１に示すように、Ｓｉ基板２１上に石英系クラッド層２２を成長させた後、連続して、同様に１０００〜１５００℃に加熱しつつＭＯＣＶＤ法を用いた常法により、クラッド層２２上に厚み１．９５μｍの石英系光導波層２３を成長させ、さらに連続して石英系クラッド層２４を成長させることによって行なえる。
【００２６】
本実施形態では、レーザー部位ａの光伝播層１２の厚みと、光回路部位ｂの光導波層２３の厚みとがそれぞれ前記厚みに調節されるので、レーザー部位ａから出射される基本モードのビームスポット径が、入射されたレーザー光を伝搬する光回路部位ｂの基本モードのビームスポット径と略一致する構成となっている。
【００２７】
ここで、基本モードのビームスポット径について詳述する。
例えば、光回路部位（光導波構造）ｂにおける基本モードの電界分布Ｅ（ｘ）は、レーザー発振波長〔λ〕、レーザー部位ａの光伝播層１２の屈折率〔ｍ〕、光導波層２３の屈折率〔ｎ〕、光導波層２３（屈折率ｎ）と石英系クラッド層（屈折率ｎ'）２２，２４との屈折率差〔Δｎ〕、及び光導波層２３の厚み〔Ｗ〕から下記式より算出することができる。
【数１】
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【００２８】
具体的には、まずレーザー部位ａと光回路部位ｂとの各々について、光伝播層１２及び光導波層２３の厚みと、各スポットサイズとの関係を示すグラフを作成する（図２）。そして本実施形態では、レーザー部位ａの光伝播層１２の屈折率ｍ＝３．６７、光回路部位ｂの光導波層２３の屈折率ｎ＝１．４６、屈折率ｎと屈折率ｎ'との屈折率差Δｎ＝１％、レーザー発振波長λ＝８０８ｎｍとすると、光導波層２３の厚み〔Ｗ〕による基本モードのスポットサイズは図２から求められる。
図２は、光導波層又は光伝播層の厚みとスポットサイズ（μｍ）との関係を示す図であり、図２中の実線はレーザー部位ａにおける厚みＷとスポットサイズとの関係を、破線は光回路部位ｂにおける厚みＷとスポットサイズとの関係をそれぞれ示す。
【００２９】
図２に示すように、本実施形態では、光導波層２３の屈折率ｎが低いため、光回路部位における基本モードのスポットサイズを１．７μｍ以下にすることはできない。また、レーザー部位では、光伝播層の厚みを厚くしすぎると、マルチモード発振を起こし、光回路部位への入射の際に結合効率が低下するため、光伝播層の厚みを３μｍ以下にすることが好ましい。したがって、スポットサイズが１．７μｍより大きく、かつ光伝播層の厚みが３μｍ以下の領域内において、スポットサイズが同じになる実線上の点（厚み）と破線上の点（厚み）、具体的には例えば、実線上の点Ａ１と破線上の点Ａ２や、実線上の点Ｂ１と破線上の点Ｂ２を選択することによって、レーザー部位ａから出射される基本モードのビームスポット径と、入射されたレーザー光を伝搬する光回路部位ｂの基本モードのビームスポット径とを一致もしくは略一致させた構成とすることができる。
【００３０】
（第２実施形態）
本発明の半導体レーザー装置の第２実施形態を図３を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態のレーザー部位ａの光回路部位側の端面（レーザー出射側の端面）に反射層を設けてレーザー部位ａを光回路部位ｂに当接した構成としたものである。
【００３１】
なお、低反射率層以外の各層は第１実施形態と同様に形成することができ、第１実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００３２】
本実施形態の半導体レーザー装置は、図３に示すように、レーザー部位ａの光回路部位側となるレーザーを出射する出射端面に反射層３０が設けられている。この反射層３０は、レーザー部位ａの光伝播層１２の屈折率を光回路部位の光導波層２３の屈折率に合わせて結合損失を抑える層であり、第１実施形態のように空気層等のギャップを設けずにレーザー部位と光回路部位とを突き合わせたときの発振特性の変化を防止する。
【００３３】
この反射層の形成により、簡易な構造に構成しながら、光回路部位に入射される際の結合損失を抑えて結合効率を確保でき、レーザー出力を効率よく向上させることができる。
【００３４】
反射層３０は、図３に示す積層構造のレーザー部位ａとした後に、レーザーが出射される出射端面に誘電体多層膜をコーティングしたものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第１実施形態に係る半導体レーザー装置の構成を示す概略断面図である。
【図２】レーザー部位ａ及び光回路部位ｂのビームスポット径が一致もしくは略一致する層の厚みを選択するための関係図である。
【図３】第２実施形態に係る半導体レーザー装置の構成を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１２…光伝播層
１３…活性層
２２，２４…クラッド層
２３…光導波層
３０…反射層
ａ…半導体レーザー構造（レーザー部位）
ｂ…光導波構造（光回路部位）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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